PL191356B1 - Sposób pomiaru chropowatości powierzchni oraz urządzenie do pomiaru chropowatości powierzchni - Google Patents

Abstract

1. Sposób pomiaru chropowatości powierzchni z wykorzystaniem rozkładu przestrzennego światła rozproszonego na badanej powierzchni, padającego na badaną powierzchnię w postaci wiązki światła monochromatycznego, poprzez wyznaczenie parametru chropowatości z rozkładu przestrzennego światła rozproszonego i/lub wyznaczenie parametru chropowatości na podstawie współczynnika całkowitego światła rozproszonego, a także poprzez określenie i analizę funkcji rozkładu kątowego światła rozproszonego na badanej powierzchni, znamienny tym, że dokonuje się pomiarów światła rozproszonego na badanej powierzchni, w kolejnych fragmentach pojedynczego detektora o jednolitej strukturze fotoczułej, a wspomniane fragmenty są odpowiednio odsłaniane przy po mocy przysłony o zmieniającej się aperturze, współpracującej z układem analizującym, przy czym stale jest mierzona moc promieniowania wiązki monochromatycznego światła padającego. 2. Urządzenie do pomiaru chropowatości powierzchni posiadające źródło światła monochromatycznego, z którego wiązka promieniowania pada pod kątem na badaną powierzchnię poprzez element światłodzielący współpracujący z fotodetektorem pomiaru wiązki odniesienia, a także zaopatrzone w nieruchomy detektor światła rozproszonego umieszczony w osi układu optycznego kolimującego światło rozproszone na badanej powierzchni, znamienne tym, że pomiędzy układem optycznym (4) a detektorem (5) znajduje się przysłona (6) o zmiennej powierzchni (7) przepuszczającej światło.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób pomiaru chropowatości powierzchni oraz urządzenie do pomiaru chropowatości powierzchni z wykorzystaniem światła monochromatycznego ulegającego rozproszeniu na badanej powierzchni.

Dla teoretycznej, doskonale gładkiej powierzchni całe światło monochromatyczne, na przykład spolaryzowana wiązka laserowa skierowana na wspomnianą powierzchnię, ulega odbiciu pod kątem równym kątowi padania, a jej rozkład mocy nie ulega zmianie. Rzeczywiste powierzchnie nie są doskonale gładkie i płaskie posiadając mikronierówności wynikające ze specyfiki procesów technologicznych, jakim podlegały oraz fizykochemicznych cech materiałów. Światło padające na rzeczywistą powierzchnię materiału po odbiciu tworzy charakterystyczną aurę, czyli przestrzenny rozkład natężeń. Na elementach mikrostruktury następuje rozpraszanie światła i rozchodzenie w różnych kierunkach. Następują zjawiska ugięcia związane z występowaniem składowych okresowych w przebiegu profilu powierzchni. Ich amplitudy oraz częstotliwości przestrzenne, a także długość fali światła padającego determinują parametry przestrzennego rozkładu światła rozproszonego. Analiza tych parametrów przez pomiar natężeń światła w zależności od kierunku rozproszenia jest podstawą optycznych, reflektancyjnych metod oznaczania cech powierzchni, a głównie chropowatości określonej parametrem Rq stanowiącym średnie kwadratowe odchylenie od linii średniej, którego wartość wyznacza równanie otrzymane z matematycznych przekształceń zależności fizycznych:

Rq @ c dP'_s / ds_k

Σ —-Δθ₌ gdzie c jest wartością stałą, a dPs dP'_s =—^{Sk Sk} P przy czym Pi określa moc wiązki światła padającego. Postać równania wskazuje na to, że mierząc kolejne wartości mocy odbitego światła monochromatycznego dPs detektorem o powierzchni ds dla różnych kątów rozproszenia 0_S, można wyznaczyć chropowatość powierzchni rozpraszającej, przy czym przybliżenie będzie tym większe, im mniejsze będą wartości ds i A0_S oraz im większa będzie liczba pomiarów wartości dPs w ramach kąta bryłowego, w który wypromieniowana jest znacząca część mocy światła rozproszonego. W praktyce, obok wyznaczania parametru chropowatości, istotne znaczenie dla wielu zastosowań ma także analiza rozkładu kątowego światła rozproszonego danej powierzchni, którego funkcję wyznacza w dużym przybliżeniu zależność:

dPsAOs

P_icosθ_S gdzie ΔΏ oznacza kąt odpowiadający zakresowi mierzonej wartości ds. Wspomniana funkcja świadczy o jakości wykonania powierzchni rozpraszającej w aspekcie obecności wad, takich jak wtrącenia, rysy czy nieregularności i służy do oceny właściwości optycznych. Innym sposobem pozwalającym na określenie chropowatości powierzchni z wykorzystaniem światła rozproszonego jest metoda polegająca na oddzielnym pomiarze całkowitej mocy światła rozproszonego i mocy światła odbitego w kierunku odbicia zwierciadlanego. Stosunek mierzonych wartości stanowi współczynnik całkowitego światła rozproszonego wyznaczony w dużym przybliżeniu wzorem:

^Ps

CALK

4πRqCOSθ_i ^PREFL gdzie λ jest długością fali światła padającego. W związku z wykorzystywaniem w nowoczesnej nauce itechnice materiałów super gładkich, dla których tradycyjne pomiary parametru chropowatości za pomocą profilometrii stykowej są niemożliwe, istnieje ogromne zapotrzebowanie na szybkie, bezdotykoPL 191 356 B1 we metody i urządzenia do określenia właściwości powierzchni, a szczególnie jej chropowatości. Spośród nich najbardziej zaawansowane są metody oparte na analizie światła odbitego, rozwijane zwłaszcza w USA.

I tak, z opisu patentowego USA nr 5608 527 jest znane urządzenie i metoda dynamicznego pomiaru chropowatości powierzchni, gdzie laser półprzewodnikowy oświetla powierzchnię mierzoną wiązką o średnicy około 1 mm. Do detekcji światła odbitego i rozproszonego służy linijka fotodiod zawierająca 35 elementów oraz dwie dodatkowe fotodiody odbierające światło pod dużym kątem względem kierunku odbicia zwierciadlanego. Elementy diodowe w linijce są gęsto upakowane, a odległość między nimi nie przekracza 0,13 mm. W trakcie pomiaru wykrywany jest element, na który pada najwięcej światła, określany jako element zwierciadlany. Do obliczeń wykorzystuje się moc światła rozproszonego zmierzoną na fotodiodach linijki oraz dwóch fotodiodach dodatkowych unormowaną względem mocy światła na elemencie zwierciadlanym. Na podstawie tych wartości uzyskuje się współczynniki związane z parametrami chropowatości. Konkretne zależności przeliczeniowe uzyskuje się w drodze kalibracji przyrządu, dla każdego rodzaju obróbki powierzchni oddzielnie. Głowica pomiarowa przyrządu o wymiarach 300 x 140 x 135 mm oprócz układu optycznego zawiera elektroniczne układy wzmocnienia i przetwarzania sygnałów pomiarowych, eliminacji tła oraz przeliczania danych. Ich działanie jest nadzorowane przez dwa mikroprocesory. Wyniki obliczeń są wysyłane przez interfejs szeregowy i kabel łączący do komputera głównego, zawierającego oprogramowanie pracujące w środowisku Windows. Program obsługi gromadzi dane, tworzy wykresy i wysyła komunikaty. Urządzenie posiada wyposażenie dodatkowe umożliwiające monitorowanie zużycia powierzchni, kontrolę parametrów detali w gniazdach obróbki i inne pomiary laboratoryjne.

Z kolei z opisu patentowego USA nr 4364 663 jest znany przyrząd i metoda do pomiaru chropowatości powierzchni w postaci określonych na wstępie parametrów. Przyrząd pracuje w układzie z trzema detektorami światła odbitego i rozproszonego i składa się z panelu sterowania, odłączalnej głowicy pomiarowej i oddzielnego zasilacza. Jest to przykład reflektometru z zastosowaniem źródła światła w postaci lasera o długości fali od czerwieni do bliskiej podczerwieni. Przyrząd próbkuje rozkład światła w niewielu kierunkach, w związku z czym charakteryzuje się małą dokładnością oraz ograniczonym zakresem pomiarowym i dlatego jest wykorzystywany głównie do pomiarów porównawczych oraz do wykrywania defektów powierzchni w kontroli jakości i w monitorowaniu wytwarzania. Jako przykład metody i urządzenia do wykrywania defektów powierzchni za pomocą pomiaru odbitego światła rozproszonego można wymienić rozwiązanie przedstawione w opisie patentowym USA nr4296333, a jako przykłady zastosowania linijki lub matrycy fotodiod w systemach pomiarowych dla określania chropowatości można wymienić rozwiązanie przedstawione w opisie patentowym USA nr4991971, gdzie powierzchnia kuli pomiarowej jest zaopatrzona w znaczną liczbę detektorów wpostaci zakończeń światłowodów, z których światło jest przekazywane poprzez układ optyczny do gęsto upakowanej linijki fotodiod, a także pomiarowy system optoelektroniczny pokazany w opisie patentowym USA nr 4 859 062, gdzie wiązka promieniowania laserowego odbita i rozproszona na powierzchni mierzonej zostaje poddana obróbce w układzie optycznym, a następnie przekazana do detektora w postaci matrycy fotodiod.

W opisanych rozwiązaniach układy detektorów zawierają pewną liczbę elementów dyskretnych, ograniczonych i oddzielonych od siebie przerwami, co powoduje brak ciągłości pomiaru światła rozproszonego. Układy takie wyróżniają się ponadto zróżnicowaniem charakterystyk parametrów elektrycznych poszczególnych fotodetektorów, a także powstawaniem sprzężeń elektrycznych pomiędzy sąsiednimi elementami w przypadku ich znacznego zbliżenia. Poza tym, przy zastosowaniu typowych linijek lub matryc, w których poszczególne elementy mają jednakowe rozmiary nie ma możliwości zmiany rozdzielczości pomiaru tak, aby dokładniej analizować kierunki rozproszenia mające duży wpływ na dokładność pomiaru, na przykład zbliżone do kierunku odbicia zwierciadlanego. Z polskiego opisu patentowego nr 147 784 jest znany gładkościomierz laserowy służący do ilościowej oceny gładkości polerowanych powierzchni optycznych poprzez pomiar natężenia promieniowania laserowego rozproszonego na badanej powierzchni. Gładkościomierz ma wklęsłe zwierciadło z otworem, zbierające promieniowanie rozproszone i eliminujące z układu optycznego światło odbite oraz posiada diafragmę położoną pomiędzy zwierciadłem płaskim i fotopowielaczem, przy czym otwór w diafragmie pokrywa się z obrazem oświetlonej plamki na badanej powierzchni, która jest umieszczona na stoliku przesuwnym. Natężenie rozproszonego promieniowania mierzone w stosunku do natężenia wiązki odbitej jest miarą gładkości badanej powierzchni.

PL 191 356 B1

Z kolei z opisu polskiego wynalazku nr 185 242 jest znany przyrząd do kontroli mikronierówności i zanieczyszczeń powierzchni elementów optycznych i podłoży półprzewodników pod obwody scalone zwany skateroskopem, który umożliwia jednocześnie ocenę wizualną i rejestrację obrazów badanej powierzchni, a także pomiar parametrów chropowatości i wyznaczenie charakterystyk kątowych rozproszenia. W skateroskopie wiązka laserowa przechodzi przez otwór w płaskim zwierciadle i po odbiciu od badanej powierzchni wychodzi przez wspomniany otwór, natomiast promieniowanie rozproszone jest kierowane przez płaskie zwierciadło do obiektywu i poprzez diafragmy przekazywane na płytkę światłodzielącą, która rozdziela je do powielacza oraz do kamery CCD. Poprzez umieszczanie odpowiedniej diafragmy za obiektywem uzyskuje się obraz charakterystyki kątowej rozproszenia światła odbitego właściwy dla cząstek zanieczyszczeń oraz inny obraz właściwy dla mikronierówności.

Zgodnie z wynalazkiem, istotę sposobu pomiaru chropowatości powierzchni z wykorzystaniem rozkładu przestrzennego światła rozproszonego na badanej powierzchni, padającego na badaną powierzchnię w postaci wiązki światła monochromatycznego, polegającego na wyznaczeniu parametru chropowatości z rozkładu przestrzennego światła rozproszonego i/lub wyznaczeniu wspomnianego parametru na podstawie współczynnika całkowitego światła rozproszonego, a także określeniu i analizie funkcji rozkładu kątowego światła rozproszonego, stanowi dokonywanie pomiarów światła rozproszonego w kolejnych fragmentach pojedynczego detektora o ciągłej strukturze fotoczułej. Wspomniane fragmenty są odpowiednio odsłaniane przy pomocy przysłony o zmieniającej się aperturze, współpracującej z układem analizującym, przy czym stale jest mierzona moc promieniowania wiązki monochromatycznego światła padającego. Taki sposób daje możliwość dopasowania charakteru zmian dostępnej dla pomiaru wielkości powierzchni detektora do specyficznych cech rozkładu światła rozproszonego oraz równoczesną ocenę jakości powierzchni poprzez wyznaczenie wysokościowego parametru chropowatości z rozkładu przestrzennego światła rozproszonego i/lub na podstawie współczynnika całkowitego światła rozproszonego, a także analizę funkcji rozkładu kątowego światła rozproszonego.

Istotę urządzenia według wynalazku zaopatrzonego w źródło światła monochromatycznego, z którego wiązka promieniowania pada pod wybranym kątem na badaną powierzchnię poprzez element światłodzielący współpracujący z fotodetektorem pomiaru wiązki odniesienia, a także posiadający nieruchomy detektor światła rozproszonego umieszczony w osi układu optycznego kolimującego światło rozproszone na badanej powierzchni, stanowi zastosowanie przysłony o zmiennej powierzchni przepuszczającej światło, umieszczonej pomiędzy układem optycznym a detektorem, przy czym detektor korzystnie posiada powierzchnię światłoczułą o jednolitej strukturze. Przysłona może mieć kształt koła z centralnie umieszczonym otworem o zmiennej aperturze przy zastosowaniu detektora o kołowej powierzchni światłoczułej. Urządzenie może posiadać ruchomą przysłonę w kształcie prostokąta przy zastosowaniu detektora o prostokątnej powierzchni światłoczułej, przy czym krawędź przysłony korzystnie odsłania fragmenty powierzchni światłoczułej detektora, albo też może być wyposażone w ruchomą przysłonę ze szczeliną odsłaniającą kolejne fragmenty powierzchni światłoczułej detektora. Urządzenie posiada korzystnie układ sterowania, którego wyjście jest połączone z przysłoną, a wejście jest połączone z układem przeliczającym, do którego jest również podłączony układ wzmacniania i przetwarzania połączony swym wejściem z detektorem światła rozproszonego oraz poprzez układ pomiarowy światła padającego z fotodetektorem wiązki odniesienia. Dzięki takiemu rozwiązaniu urządzenia jest możliwy pomiar mocy światła rozproszonego w dowolnie wybranym fragmencie wiązki tego światła, normalnej względem mocy światła padającego na badaną powierzchnię. Analiza wielkości oświetlonej powierzchni światłoczułej detektora, a także położenie i rozwartość kątowa mierzonego odcinka wiązki światła rozproszonego, w odniesieniu do pomiaru wiązki światła padającego, pozwala na określenie wartości funkcji rozkładu światła rozproszonego i wartości parametru chropowatości wyliczonego na podstawie tej funkcji lub na podstawie współczynnika całkowitego światła rozproszonego.

Przedmiot wynalazku został bliżej objaśniony w przykładach wykonania pokazanych na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat urządzenia, fig. 2 - schemat zespołu optycznego urządzenia z zastosowaniem detektora o kolistej powierzchni światłoczułej i przysłony w kształcie koła z centralnie umieszczonym otworem o zmiennej aperturze, fig. 3 - przysłonę z widoku A z fig. 2, fig. 4 - schemat zespołu optycznego urządzenia z zastosowaniem detektora o prostokątnej powierzchni światłoczułej i ruchomej przysłony prostokątnej, fig. 5 - przysłonę w widoku B z fig. 4, fig. 6 - schemat zespołu optycznego urządzenia z zastosowaniem detektora o prostokątnej powierzchni światłoczułej i ruchomej przysłony zaopatrzonej w szczelinę, a fig. 7 - przysłonę z widoku C z fig. 6.

PL 191 356 B1

Wiązka światła monochromatycznego ze źródła światła i na przykład z lasera przechodzi przez element światłodzielący 2 i jest kierowana pod kątem na badaną powierzchnię 3, gdzie rozprasza się na mikronierównościach i tworzy po odbiciu rozkład przestrzenny zależny od struktury mikronierówności. Po przejściu przez układ optyczny 4 światło jest formowane w wiązkę kierowaną w stronę detektora 5 posiadającego powierzchnię światłoczułą o jednolitej strukturze. Przed detektorem 5 jest umieszczona przysłona 6 o zmiennej powierzchni 7 przepuszczającej światło. W przypadku detektora 5 o kolistej powierzchni światłoczułej (fig. 2 i fig. 3) może być zastosowana przysłona 6 z centralnie umieszczonym otworem 8 o zmiennej aperturze, na przykład mechaniczna przysłona irysowa. Taka przysłona 6 może mieć zastosowanie do badania powierzchni 3 o małej chropowatości i strukturze mikronierówności o charakterze dwuwymiarowym.

W przypadku detektora 5 o prostokątnej powierzchni światłoczułej może być zastosowana ruchoma przysłona 6 w kształcie prostokąta (fig. 4 i fig. 5), której krawędź 9 odsłania odpowiednie fragmenty powierzchni światłoczułej detektora 5, albo która jest zaopatrzona w szczelinę 10 odsłaniającą odpowiednie fragmenty detektora 5 (fig. 6 i fig. 7). Takie przysłony 6 mogą być stosowane w przypadku, gdy znacząca dla dokładności pomiaru część światła rozproszonego zawiera się w płaszczyźnie wyznaczonej przez kierunki padania i odbicia zwierciadlanego, co zachodzi dla powierzchni 3 o jednowymiarowej strukturze mikronierówności.

Wielkość i/lub położenie powierzchni 7, na przykład otworu 8, krawędzi 9, szczeliny 10, są regulowane przez układ sterowania 11, którego wejście jest połączone z układem przeliczającym 12. Natomiast moc wiązki odniesienia z elementu światłodzielącego 2 jest mierzona przez fotodetektor 13, który wartość zmierzoną przekazuje do układu pomiarowego 14 światła padającego. Wynik pomiaru zostaje przekazany do układu wzmacniania i przetwarzania 15 sygnałów pomiarowych. Do układu wzmacniania i przetwarzania 15 jest także przekazywany aktualny pomiar mocy wiązki światła rozproszonego padającej na wybrany przez przysłonę 6 fragment powierzchni detektora 5. W układzie 15 sygnał elektroniczny odpowiadający tej mocy jest wzmacniany i porównywany z sygnałem układu 14.

Cyfrowy układ przeliczający 12 dokonuje przeliczenia wyników dla aktualnego ustawienia powierzchni 7 w przesłonie 6, analizując moc wiązki światła rozproszonego znormalizowaną względem mocy światła padającego na badaną powierzchnię 3 oraz dane wynikające z geometrii analizowanego światła rozproszonego, to jest wielkości oświetlonej powierzchni detektora 5, a także położenia i rozwartości kątowej mierzonego wycinka wiązki światła rozproszonego. Po wykonaniu przeliczenia danych w układzie 12, układ sterowania 11 powoduje zmianę powierzchni 7 w przysłonie 6 i zakończenie cyklu pomiarowego. Wyniki uzyskane w kolejnych cyklach są zapamiętywane w układzie 12 i służą do wyznaczania i zobrazowania potrzebnych parametrów zależnych od trybu pracy urządzenia w postaci jednoznacznych wyników, a mianowicie:

- wartości funkcji rozkładu przestrzennego światła rozproszonego,

- wartości parametru chropowatości Rq wyliczanej na podstawie przebiegu tej funkcji,

- wartości parametru chropowatości Rq wyliczanej na podstawie współczynnika całkowitego światła rozproszonego.

Claims (7)

1. Sposób pomiaru chropowatości powierzchni z wykorzystaniem rozkładu przestrzennego światła rozproszonego na badanej powierzchni, padającego na badaną powierzchnię w postaci wiązki światła monochromatycznego, poprzez wyznaczenie parametru chropowatości z rozkładu przestrzennego światła rozproszonego i/lub wyznaczenie parametru chropowatości na podstawie współczynnika całkowitego światła rozproszonego, a także poprzez określenie i analizę funkcji rozkładu kątowego światła rozproszonego na badanej powierzchni, znamienny tym, że dokonuje się pomiarów światła rozproszonego na badanej powierzchni, w kolejnych fragmentach pojedynczego detektora o jednolitej strukturze fotoczułej, a wspomniane fragmenty są odpowiednio odsłaniane przy po mocy przysłony o zmieniającej się aperturze, współpracującej z układem analizującym, przy czym stale jest mierzona moc promieniowania wiązki monochromatycznego światła padającego.

2. Urządzenie do pomiaru chropowatości powierzchni posiadające źródło światła monochromatycznego, z którego wiązka promieniowania pada pod kątem na badaną powierzchnię poprzez element światłodzielący współpracujący z fotodetektorem pomiaru wiązki odniesienia, a także zaopatrzone w nieruchomy detektor światła rozproszonego umieszczony w osi układu optycznego kolimującego

PL 191 356 B1 światło rozproszone na badanej powierzchni, znamienne tym, że pomiędzy układem optycznym (4) a detektorem (5) znajduje się przysłona (6) o zmiennej powierzchni (7) przepuszczającej światło.

3. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że detektor (5) posiada powierzchnię światłoczułą o jednolitej strukturze.

4. Urządzenie według zastrz. 2 lub 3, znamienne tym, że detektor (5) o kolistej powierzchni światłoczułej posiada przysłonę (6) w kształcie koła z centralnie umieszczonym otworem (8) o zmiennej aperturze.

5. Urządzenie według zastrz. 2 lub 3, znamienne tym, że detektor (5) w kształcie prostokąta posiada ruchomą przysłonę (6) w kształcie prostokąta, której krawędź (9) odsłania fragmenty powierzchni światłoczułej detektora (5).

6. Urządzenie według zastrz. 2 lub 3, znamienne tym, że detektor (5) w kształcie prostokąta posiada ruchomą przysłonę (6) zaopatrzoną w szczelinę (10) odsłaniającą fragment powierzchni światłoczułej detektora (5).

7. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że posiada układ sterowania (11), którego wyjście jest połączone z przysłoną (6), a wejście jest połączone z układem przeliczającym (12), do którego jest również połączony układ wzmacniania i przetwarzania (15) połączony swym wejściem z detektorem (5) światła rozproszonego oraz poprzez układ pomiarowy (14) światła padającego z fotodetektorem (13) wiązki odniesienia.